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led常识.docx
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led常识
二极管发光角度也就是其光线散射角度,主要靠二极管生产时加散射剂来控制,有三大类:
1.高指向性
一般为尖头环氧封装,或是带金属反射腔封装,且不加散射剂。
发光角度5°~20°或更小,具有很高的指向性,可作局部照明光源用,或与光检出器联用以组成自动检测系统。
2.标准型
通常作指示灯用,其发光角度为20°~45°。
3.散射型
这是视角较大的指示灯,发光角度为45°~90°或更大,散射剂的量较大。
LED晶片的作用、组成、分类及特性
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晶片,什么是led晶片?
一、LED晶片的作用:
LED晶片为LED的主要原材料,LED主要依靠晶片来发光。
二、LED晶片的组成
主要有砷(AS)铝(AL)镓(Ga)铟(IN)磷(P)氮(N)锶(Si)这几种元素中的若干种组成。
三、LED晶片的分类
1、按发光亮度分:
A、一般亮度:
R﹑H﹑G﹑Y﹑E等
B、高亮度:
VG﹑VY﹑SR等
C、超高亮度:
UG﹑UY﹑UR﹑UYS﹑URF﹑UE等
D、不可见光(红外线):
R﹑SIR﹑VIR﹑HIR
E、红外线接收管:
PT
F、光电管:
PD
2、按组成元素分:
A、二元晶片(磷﹑镓):
H﹑G等
B、三元晶片(磷﹑镓﹑砷):
SR﹑HR﹑UR等
C、四元晶片(磷﹑铝﹑镓﹑铟):
SRF﹑HRF﹑URF﹑VY﹑HY﹑UY﹑UYS﹑UE﹑HE、UG
四、LED晶片特性表(详见下表介绍)
LED晶片型号发光颜色组成元素波长(nm)晶片型号发光颜色组成元素波长(nm)
SBI蓝色lnGaN/sic430HY超亮黄色AlGalnP595
SBK较亮蓝色lnGaN/sic468SE高亮桔色GaAsP/GaP610
DBK较亮蓝色GaunN/Gan470HE超亮桔色AlGalnP620
SGL青绿色lnGaN/sic502UE最亮桔色AlGalnP620
DGL较亮青绿色LnGaN/GaN505URF最亮红色AlGalnP630
DGM较亮青绿色lnGaN523E桔色GaAsP/GaP635
PG纯绿GaP555R红色GAaAsP655
SG标准绿GaP560SR较亮红色GaA/AS660
G绿色GaP565HR超亮红色GaAlAs660
VG较亮绿色GaP565UR最亮红色GaAlAs660
UG最亮绿色AIGalnP574H高红GaP697
Y黄色GaAsP/GaP585HIR红外线GaAlAs850
VY较亮黄色GaAsP/GaP585SIR红外线GaAlAs880
UYS最亮黄色AlGalnP587VIR红外线GaAlAs940
UY最亮黄色AlGalnP595IR红外线GaAs940
LED的明显优势
LED(Light-EmiTTing-Diode中文意思为发光二极管)是一种能够将电能转化为可见光的半导体,它改变了白炽灯钨丝发光与节能灯三基色粉发光的原理,而采用电场发光。
据分析,LED的特点非常明显,寿命长、光效高、无辐射与低功耗。
LED的光谱几乎全部集中于可见光频段,其发光效率可达80~90%。
记者还将LED与普通白炽灯、螺旋节能灯及T5三基色荧光灯做了一番比较,结果显示:
普通白炽灯的光效为12lm/W,寿命小于2000小时,螺旋节能灯的光效为60lm/W,寿命小于8000小时,T5荧光灯则为96lm/W,寿命大约为10000小时,而直径为5毫米的白光LED为20~28lm/W,寿命可大于100000小时。
有人还预测,未来的LED寿命上限将无穷大。
一般人都认为,节能灯可节能4/5是伟大的创举,但LED比节能灯还要节能1/4,这是固体光源更伟大的改革。
除此之外,LED还具有其他优势,光线质量高,基本上无辐射,属于典型的绿色照明光源;可靠耐用,维护费用极为低廉等等。
正因为LED具有以上其他固体光源还无法匹敌的特点,10年后LED将是照明行业的主流光源。
LED结温产生原因与LED结温解决办法
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1、什么是LED的结温?
LED的基本结构是一个半导体的P—N结。
实验指出,当电流流过LED元件时,P—N结的温度将上升,严格意义上说,就把P—N结区的温度定义为LED的结温。
通常由于元件芯片均具有很小的尺寸,因此我们也可把LED芯片的温度视之为结温。
2、产生LED结温的原因有哪些?
在LED工作时,可存在以下五种情况促使结温不同程度的上升:
a、元件不良的电极结构,视窗层衬底或结区的材料以及导电银胶等均存在一定的电阻值,这些电阻相互垒加,构成LED元件的串联电阻。
当电流流过P—N结时,同时也会流过这些电阻,从而产生焦耳热,引致芯片温度或结温的升高。
b、由于P—N结不可能极端完美,元件的注人效率不会达到100%,也即是说,在LED工作时除P区向N区注入电荷(空穴)外,N区也会向P区注人电荷(电子),一般情况下,后一类的电荷注人不会产生光电效应,而以发热的形式消耗掉了。
即使有用的那部分注入电荷,也不会全部变成光,有一部分与结区的杂质或缺陷相结合,最终也会变成热。
c、实践证明,出光效率的限制是导致LED结温升高的主要原因。
目前,先进的材料生长与元件制造工艺已能使LED极大多数输入电能转换成光辐射能,然而由于LED芯片材料与周围介质相比,具有大得多的折射系数,致使芯片内部产生的极大部分光子(>90%)无法顺利地溢出介面,而在芯片与介质介面产生全反射,返回芯片内部并通过多次内部反射最终被芯片材料或衬底吸收,并以晶格振动的形式变成热,促使结温升高。
d、显然,LED元件的热散失能力是决定结温高低的又一个关键条件。
散热能力强时,结温下降,反之,散热能力差时结温将上升。
由于环氧胶是低热导材料,因此P—N结处产生的热量很难通过透明环氧向上散发到环境中去,大部分热量通过衬底、银浆、管壳、环氧粘接层,PCB与热沉向下发散。
显然,相关材料的导热能力将直接影响元件的热散失效率。
一个普通型的LED,从P—N结区到环境温度的总热阻在300到600℃/w之间,对于一个具有良好结构的功率型LED元件,其总热阻约为15到30℃/w。
巨大的热阻差异表明普通型LED元件只能在很小的输入功率条件下,才能正常地工作,而功率型元件的耗散功率可大到瓦级甚至更高。
3、降低LED结温的途径有哪些?
a、减少LED本身的热阻;
b、良好的二次散热机构;
c、减少LED与二次散热机构安装介面之间的热阻;
d、控制额定输入功率;
e、降低环境温度
LED的输入功率是元件热效应的唯一来源,能量的一部分变成了辐射光能,其余部分最终均变成了热,从而抬升了元件的温度。
显然,减小LED温升效应的主要方法,一是设法提高元件的电光转换效率(又称外量子效率),使尽可能多的输入功率转变成光能,另一个重要的途径是设法提高元件的热散失能力,使结温产生的热,通过各种途径散发到周围环境中去。
LED照明专业术语—色温
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以绝对温度K来表示,即将一标准黑体加热,温度升高到一定程度时颜色开始由深红-浅红-橙黄-白-蓝,逐渐改变,某光源与黑体的颜色相同时,我们将黑体当时的绝对温度称为该光源之色温。
因相关色温度事实上是以黑体辐射接近光源光色时,对该光源光色表现的评价值,并非一种精确的颜色对比,故具相同色温值的二光源,可能在光色外观上仍有些许差异。
仅冯色温无法了解光源对物体的显色能力,或在该光源下物体颜色的再现如何。
不同光源环境的相关色温度。
光源色温不同,光色也不同:
色温在3300K以下,光色偏红给以温暖的感觉;有稳重的气氛,温暖的感觉;
色温在3000--6000K为中间,人在此色调下无特别明显的视觉心理效果,有爽快的感觉;故称为"中性"色温;
色温超过6000K,光色偏蓝,给人以清冷的感觉。
a.色温与亮度高色温光源照射下,如亮度不高则给人们有一种阴气的气氛;低色温光源照射下,亮度过高会给人们有一种闷热感觉。
b.光色的对比在同一空间使用两种光色差很大的光源,其对比将会出现层次效果,光色对比大时,在获得亮度层次的同时,又可获得光色的层次。
采用中色温光源照射,使蓝色具有清凉感;
采用高色温光源照射,使物体有冷的感觉。
LED照明专业术语—显色性
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光源对物体本身颜色呈现的程度称为显色性,也就是颜色逼真的程度;光源的显色性是由显色指数来表明,它表示物体在光下颜色比基准光(太阳光)照明时颜色的偏离,能较全面反映光源的颜色特性。
显色性高的光源对颜色表现较好,我们所见到的颜色也就接近自然色,显色性低的光源对颜色表现较差,我们所见到的颜色偏差也较大。
国际照明委员会CIE把太阳的显色指数定为100,各类光源的显色指数各不相同,如:
高压钠灯显色指数Ra=23,荧光灯管显色指数Ra=60~90。
显色分两种:
忠实显色:
能正确表现物质本来的颜色需使用显色指数(Ra)高的光源,其数值接近100,显色性最好。
效果显色:
要鲜明地强调特定色彩,表现美的生活可以利用加色法来加强显色效果
LED照明专业术语—光效
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衡量光源节能的重要指标,就是光源发出的光通量除以光源所消耗的功率。
单位:
流明/瓦(lm/w)。
光源所发出的总光通量(流明、亮度)与该光源所消耗的电功率(瓦)的比值,称为该光源的光效。
发光效率值越高,表明照明器材将电能转化为光能的能力越强,即在提供同等亮度的情况下,该照明器材的节能性越强;在同等功率下,该照明器材的照明性越强,即亮度越大。
Luminous原意即为光亮,计量用luminance,意为亮度,缩写为lm。
发光效率单位为亮度/瓦,有时取Luminance的音译“流明”,做流明/瓦。
光效也称为光源的发光效率或者光源的功率因素,表征从光源中射出的光通量与光源所消耗的电功率之比。
即η=φ/E=φ/(φ+P)
其中η为光效,φ为光源辐射的光能量,E为光源的功率,P为光源损耗的能量,主要是发热量。
同时发热量与电流的关系是:
P=IR。
显然,随着电流的增大,光通量增大。
但是另一方面电流的增大会引起光源热损耗的增加,综合效果是光效降低。
LED照明RGB三基色合成白光原理
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RGB三基色合成白光的制作原理
RGB三基色混合成白光也是制作白光LED的一种方法。
这种方法将LED的红、绿、蓝三种芯片组合在一起,通过电流让它们发出红、绿、蓝三种基色光,然后混合成全彩色的可见光。
这种方法得到的白光有良好的显色性能、较宽的色温范围,所用的材料和LED芯片也能方便获取。
这种方法经常在三个LED芯片中加入一个控制电流IC(集成电路)芯片。
一方面可控制供给LED的各个芯片的恒定电流,防止因LED工作电流变化引起光的主波长偏移而变色,继而使白光的色温也发生变化。
另一方面,可以控制通过三个RGBLED芯片的电流大小,从而使三个芯片的发光强度相应发生变化,实现三基色光混合比例随之发生变化,这样就可以产生多种变换的色彩。
通过这种方法生产的LED产品很受人们的欢迎。
目前,市场上使用LED三基色RGB芯片混合白光的产品分为三类:
·将三个红、绿、蓝芯片封装在φ5mm~φ10mm的一个组件内,红、绿、蓝的发光强度比例固定并接通电流,这样发出的就是白光。
·可以加装一个IC芯片,控制三个芯片的工作电流大小,三种基色光强随电流大小变化,使发出的混合光颜色随之变换。
·可做成W级大功率LED,将功率级芯片的红、绿、蓝三基色混合成白光。
这种合成的白光视角大、亮度高,特别适合作为各种灯箱广告的背光源和多彩变换的夜景灯,以美化环境、亮化城市。
LED基础知识—RGB荧光粉
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在紫光及紫外光激发的白光LED产品方面,飞利浦公司于1997年5月27日在美国申报了“UV(紫外光)LED+荧光粉”发光装置的发明专得。
但是该专利没有涉及具体的荧光粉的组成。
我国的有关单位已经在2000年开始了紫光及紫外光激发的白光LED用荧光粉的研究,并于2001年6月分别在第五届中韩双边新材料学术研讨会和北京第四届国际稀土研究与应用学术研讨会上,报告了可应用于紫光及紫外光激发的白光LED的稀土三基色(RGB)荧光粉的组成。
这些荧光粉已大紫光及紫外光激发的白光LED中得到了应用。
美国GE公司有多项有关UVLED激发的三基色荧光粉组成的专利。
其中最早的一项是2000年5月26日在美国申报的,公布专利日期是2002年7月3日。
他们报送的两种蓝色荧光粉的组成与我国某一单位提出的红色荧光粉组成基本一致,但总的来说,红色荧光粉的发光效率还是不够高,无法满足白光LED的要求,需要进一步改进。
LED基础知识—YAG荧光粉
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制作白光LED的方法之一,是在蓝光LED芯片外面涂覆荧光粉。
具体的工艺是将发射光的波长主峰在450~470nm范围内的蓝光LED芯片焊好后,在其表面涂覆稀土钇铝石榴石(YAG)系列荧光粉。
这种荧光粉在蓝光辐射下会发射黄光,这样,部分蓝光转变成黄光,和剩余的蓝光混合而形成白光LED。
由于稀土钇铝石榴石荧光粉有两个特点:
一是它的发射光的波长主峰在500~580nm范围内,即黄光区域的任意位置;二是它的最佳激发波长在430~480nm范围内的不同位置。
因此,选用该系列荧光粉加上配有不同波长蓝光的LED,就可以制备不同色温的白光LED。
1996年7月29日,日亚化学公司在日本最早申报的白光LED的发明专利就是在蓝光LED芯片上涂覆YAG黄色荧光粉,通过芯片发出的蓝光与荧光粉被激活后发出的黄光互补而形成白光。
实际上,YAG荧光粉在20世纪70年代时就有许多人研究,当时主要应用在飞点扫描仪上,主要是利用Ce+3的发光具有超短余辉的特点。
1999年,我国的有关单位在YAG荧光粉基础上进行了改进,制备出一系列具有不同发射主峰波长(520~560nm)的黄色荧光粉,并成功地应用于蓝光激发的白光LED。
有人为了避开专利问题,采用“蓝光LED+绿色荧光粉+红色荧光粉”的办法来制作白光LED,即用蓝光LED激发绿色和红色荧光粉。
其中绿色荧光粉可采用发射光的波长主峰为500~530nm的稀土钇铝石榴石荧光粉。
而对于红色荧光粉,目前尚未找到一种发光效率足够高的材料,通常是采用铕/锰激活的氧化物或盐类化合物,也可能是用铕激活的有机发光材料。
改进荧光粉之后,红光部分有显著增强,将来就可以实现第三种获得白光LED的方法。
工艺流程对白光LED寿命的影响
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除了芯片本身的质量因素之外,LED的工艺流程还对其使用寿命有着显著影响。
如何更好地控制工艺流程中的各个步骤与选用合适的辅助材料,从而保证一定的使用寿命,将是我们下文讨论的重点。
封装方法
有了好的LED芯片,还要有科学的封装方法,这样才能得到寿命较长的白光LED光源。
首先对白光LED封装所用的材料进行分析。
固定LED芯片所用的固晶胶,有导电胶和绝缘胶之分,如果LED芯片为L型电极,就必须使用导电胶,这种固晶胶既能导电又能导热。
如果LED芯片是V型电极,就要使用导热性能好的绝缘胶作为固晶胶。
其次是选用引脚式封装的支架,目前支架由两种材料做成:
一种是铁支架,外表镀银;另一种是铜支架,外表也是镀银。
这两种材料的导热系数不一样,相差比较大。
一般用铜支架做成的LED要比用铁支架做成的LED其寿命长一倍以上。
pn结的工作温度
理论和实践都已经证明,LED的寿命是与LED的pn结工作温度紧密相关的。
pn结的工作温度一般在110~120℃之间,但在设计中,应当考虑长期工作的情况下,pn结尽量保持在100℃左右。
当LED芯片内结温升高10℃时,光通量就会衰减1%,LED芯片发光的主波长就会漂移1~2nm。
对于白光LED来说,温度对白光LED的寿命影响很大。
一方面pn结温升,促使光衰增大;另一方面促使发光主波长漂移,同时也影响了光对荧光粉的有效激发,不但光衰增大,色温也产生变化。
因为主波长改变了,激发的黄光也发生变化,结果混合光就和原有光的色温不一样。
影响白光LED寿命的主要因素
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白光LED的寿命主要取决于LED芯片的质量、LED芯片的设计和芯片的材料。
以下因素都会对白光LED的寿命产生影响:
·芯片良好的导热性
·芯片的抗静电性能
·芯片的抗浪涌电压和电流等
因此,在制作白光LED时,首先要了解LED芯片的性能指标,同时还要了解白光LED使用的环境条件和允许的极限指标。
这样才能正确使用白光LED,使白光LED使用时间和可靠性达到最佳状态。
大功率LED应用中的主要技术指标
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在使用大功率白光LED时,必须了解光强分布、色温分布、热阻及显色性等问题:
·掌握W级大功率LED的光强分布图,是正确使用大功率LED所必需的。
厂家一定要向客户提供LED器件的各种参数指标。
·大功率LED的色温分布是否均匀,将直接影响照明效果;而且色温与显色指数是互相关联的,色温的改变会引起显色指数的变化。
·大功率LED的热阻直接影响LED器件的散热。
热阻你,散热越好;热阻高则散热差,这样器件温升高,就会影响光的波长漂移。
根据经验,温度升高一度,光波长要漂移0.2~0.3nm,这样会直接影响器件的发光质量。
温升过高也直接影响W级大功率LED的使用寿命。
·显色性是白光LED的重要指标,用于照明的白光LED的显色性必须在80以上。
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